รอบเครื่องยนต์ของเครื่อง 4 สูบ ถ้าหน้าปัดโชว์ 1,000 รอบ คือหมุน 1,000 รอบจริง ๆ ใช่ไหมครับ
ใช่ครับ ตรงที่หมุน 1,000 รอบต่อนาที คือส่วน shaft ตามศรชี้
เท่ากับ 1 วินาทีหมุนได้ 16 รอบกว่า ถ้าเร่งเป็น 3,000 รอบ เท่ากับ 1 วินาที หมุนได้ประมาณ 50 รอบ
คือสงสัยว่ามันเร็วขนาดนั้นเลยเหรอครับ หรือต้องหารจำนวนสูบด้วยครับ
ไม่ต้องหารจำนวนสูบเลยครับ เมื่อหน้าปัทม์โชว์ 4,200 RPM
ก็แสดงว่า shaft หมุน 4,200 รอบต่อนาที หรือ 70 รอบ/วินาที
คือส่วนต่าง ๆ ของเครื่องยนต์มันแกร่งมากครับ มีการออกแบบถ่วงน้ำหนัก
ที่ส่วน shaft เป็นอย่างดี มันจึงหมุนได้นับ 10,000 RPM สบาย ๆ
สำหรับจำนวนสูบ เราจะนำไปหารรอบเครื่อง ก็ต่อเมื่อเราจะศึกษาเรื่อง
firing order (ลำดับการจุดระเบิด) ของมัน เครื่อง 3 4 6 8 สูบ
จะมี firing order ไม่เหมือนกัน ตัวอย่างตามคลิปนี้คือ firing order ของเครื่องยนต์ 4 สูบ
ผมเคยสงสัยมานานแล้วครับ ตั้งแต่ยังไม่มีรถขับเป็นของตัวเอง อาศัยนั่งรถเพื่อนหรือรถของพ่อ จนปัจจุบันมีรถเป็นของตัวเอง ก็ยังสงสัยอยู่ว่า
ไอแผงหน้าปัด ที่บอกความเร็วรอบ ของเครื่องยนต์หรือ ลูกสูบเนี้ย มันบอกว่าเครื่องยนต์หรือลูกสูบสามารถเคลื่อนที่ไปได้ถึง 5000 รอบต่อนาที หรือ ประมาน 83 รอบต่อวินาทีได้จริงหรือครับ ถามในฐานะที่ ไม่ได้จบ วิศวยานยนต์ หรือ เครื่องกล หรือมีความรู้เฉพาะเจาะจงในด้านนี้นะครับ แต่จบมาทางด้านไฟฟ้า ที่พอจะมองเห็นว่า 50hz หรือ
50 รอบต่อวินาที สำหรับหลอดไฟ มันก็เร็วมากพอแล้วสำหรับผม เพื่อนๆช่วยอธิบายให้หน่อยสิครับว่า อุปกรณ์ทางกลอย่างเช่น เครื่องยนต์เนี้ย มันสามารถเคลื่อนไหว ได้แบบนั้นจริง และมีหลักการหรือทฤษฏีอย่างไรบ้าง ขอบคุณครับ
เครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ
เครื่องยนต์ดีเซล (Diesel Engine) เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายใน (Internal Combustion Engine หรือ ICE) ชนิดหนึ่งถูกพัฒนาโดยรูดอล์ฟ ดีเซล (Rudolf Diesel) ชาวเยอรมันในปี ค.ศ. 1893 เครื่องยนต์ดีเซลมีอัตราส่วนการอัด 16– 22 : 1 แต่ถ้ามีตัวอัดบรรจุอากาศเทอร์โบ
(Turbocharger) อัตราส่วนการอัดจะต่ำกว่า 20 : 1 มีความดันในจังหวะอัด 30 – 55 บาร์ (bar) (30.59 – 56.08 kgf/cm2) ทำให้อุณหภูมิอากาศที่อัดตัวเป็น 700 – 900 o ซ. เมื่อเชื้อเพลิงดีเซลถูกฉีดด้วยความดันสูงเข้าไปในห้องเผาไหม้จะเกิดการจุดระเบิด
โดยไม่ต้องใช้ประกายไฟเหมือนกับเครื่องยนต์แก๊สโซลีน จึงถูกจัดอยู่ในประเภทของเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัดตัว (Compression Ignition Engine)
หมายเหตุ หลักการที่จะกล่าวต่อไปนี้เป็นหลักการพื้นฐานเหมือนกันทั้งหมดไม่ว่าจะเป็นเครื่องยนต์ดีเซลที่ใช้ปั๊มเชื้อเพลิงแบบแถวเรียง หรือจานจ่าย,
รวมไปถึงเครื่องยนต์ดีเซลคอมมอนเรล
เครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะมีหลักการทำงานคือใน 1 กลวัตร (Cycle) ของแต่ละสูบ เพลาข้อเหวี่ยงจะหมุน 2 รอบ ต่อการจุดระเบิดให้กำลังงาน 1 ครั้ง นั่นหมายถึงลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้น-ลงรวม
4 ครั้ง (ขึ้น 2 ครั้ง และลง 2 ครั้ง) คือเพลาข้อเหวี่ยงหมุนรอบที่ 1 ลูกสูบเคลื่อนที่ลงในจังหวะดูด (Intake Stroke). ต่อมาลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นในจังหวะอัด (Compression Stroke) เพลาข้อเหวี่ยงหมุนรอบที่ 2 ลูกสูบเคลื่อนที่ลงในจังหวะกำลัง หรือจังหวะระเบิด (Power Stroke or Expansion Stroke) สุดท้ายลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้นในจังหวะคาย (Exhaust Stroke) ถ้าเครื่องยนต์มีหลายสูบ แต่ละสูบจะทำงานเวียนตามลำดับการจุดระเบิด
เครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ มีหลักการทำงานดังต่อไปนี้
รูปที่ 1 จังหวะดูด
จังหวะดูด (Intake Stroke) ลิ้นไอดีจะเริ่มเปิดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบน (ดังแสดงในรูปที่ 1 ในตำแหน่งที่ 1) เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ลงจากศูนย์ตายบน (TDC หรือ Top Dead Center) อากาศจะถูกดูดเข้ากระบอกสูบ เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่เลยจากศูนย์ตายล่าง (BDC หรือ Bottom Dead Center) อากาศจะยังคงไหลเข้ากระบอกสูบด้วยแรงเฉื่อยจนกว่าลิ้นไอดีจะปิด (ดังแสดงในรูปที่ 1 ในตำแหน่งที่ 2)
รูปที่ 2 จังหวะอัด
จังหวะอัด (Compression Stroke) เมื่อลิ้นไอดีปิด (ดังแสดงในรูปที่ 2 ในตำแหน่งที่ 2) อันเป็นจุดเริ่มต้นของจังหวะอัดซึ่งลูกสูบจะเคลื่อนที่ขึ้นไปสู่ศูนย์ตายบน จังหวะนี้อากาศประมาณ 16-22 ส่วนที่ถูกดูดเข้ากระบอกสูบมาในจังหวะดูดจะถูกอัดตัวให้มีปริมาตรเล็กลงเหลือประมาณ 1 ส่วน ดังนั้นอากาศจึงมีความดันและอุณหภูมิที่สูงขึ้นพร้อมสำหรับการสันดาป
หมายเหตุ ช่วงปลายของจังหวะอัดคือก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบน (ดังแสดงในรูปที่ 2 ในตำแหน่งที่ 3) หัวฉีดจะเริ่มฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงก่อนที่หัวลูกสูบจะเคลื่อนถึงศูนย์ตายบนกี่องศานั้นขึ้นอยู่กับสภาวะต่างๆ เช่นความเร็วรอบ, อุณหภูมิ และภาระ (Load) ของเครื่องยนต์ เป็นต้น ซึ่งเครื่องยนต์ดีเซลบางรุ่นบางสภาวะอาจเริ่มฉีดน้ำมันที่ศูนย์ตายบน หรือหลังศูนย์ตายบนเล็กน้อย)
รูปที่ 3 จังหวะกำลัง
จังหวะกำลัง (Power Stroke) (ซึ่งเริ่มนับจากหัวลูกสูบอยู่ที่ศูนย์ตายบน) หรือบางครั้งเรียกว่า จังหวะระเบิด (Expansion Stroke) (ซึ่งเริ่มนับจากหัวหัวฉีด ฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง) กำลังจากการระเบิดหรือการสันดาป (Combustion) ภายในห้องเผาไหม้จะผลักดันให้ลูกสูบเคลื่อนที่ลงมาเป็นกำลังงานขับเคลื่อนของเครื่องยนต์ ในจังหวะนี้จะไปสิ้นสุดจนกว่าลิ้นไอเสียจะเปิด (ดังแสดงในรูปที่ 3 ในตำแหน่งที่ 5)
หมายเหตุ ในความเป็นจริงแล้วการจุดระเบิดถูกเริ่มต้นก่อนที่หัวลูกสูบจะถึงศูนย์ตายบนแล้วมาระเบิดรุนแรงที่สุดในช่วงที่หัวลูกสูบเคลื่อนที่เลยจากศูนย์ตายบนมาแล้วเล็กน้อย
รูปที่ 4 จังหวะคาย
จังหวะคาย (Exhaust Stroke) จังหวะนี้เริ่มต้นจากลิ้นไอเสียจะเริ่มเปิดก่อนที่ลูกสูบจะเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายล่าง (ดังแสดงในรูปที่ 4 ในตำแหน่งที่ 5) แก๊สไอเสียซึ่งยังมีความดันจากการขยายตัวอยู่จะระบายออกทางลิ้นไอเสีย เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่เลยจากศูนย์ตายล่าง (BDC) จะผลักดันให้ไอเสียไหลออกไปจากกระบอกสูบ
หมายเหตุ ขณะที่หัวลูกสูบเคลื่อนที่ถึงศูนย์ตายบนนั้น ลิ้นไอเสียยังไม่ปิดสนิทแต่จะเปิดเล็กน้อยแล้วไปปิดเมื่อเลยจากศูนย์ตายบนไปเล็กน้อย (ดังแสดงในรูปที่ 4 ในตำแหน่งที่ 6) ซึ่งในช่วงนี้ไอเสียจะสามารถไหลออกจากกระบอกสูบด้วยแรงเฉื่อย และขณะเดียวกันนี้จะเกิดแรงดูดอากาศให้เริ่มเข้ากระบอกสูบ ช่วงที่ลิ้นไอเสียเริ่มปิด และไอดีเริ่มเปิดนี้เรียกว่าซ้อนเหลื่อม (Overlap)
หมายเหตุ ลำดับการจุดระเบิดที่นิยมใช้ ดังแสดงในตาราง
จำนวนกระบอกสูบ | ลำดับการจุดระเบิด (Firing Order) |
4 สูบแถวเรียง | 1, 3, 4, 2 |
5 สูบแถวเรียง | 1, 2, 4, 5, 3 |
6 สูบแถวเรียง | 1, 5, 3, 6, 2, 4 |
6 สูบวางรูปตัว V | 1, 2, 3, 4, 5, 6 |
คลิปที่ 1 การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซล 4 จังหวะ